应用光学（第4版）.pdf

光电信息科学与工程类专业规划教材 应 用 光 学（第（第 4 版）版）张以谟 主编 张红霞 贾大功 修订 内 容 简 介 本书将基础性光学原理用于光学系统设计和像差平衡，定位于阐述光学设备的光学系统总体设计原理与光学镜头设计基础。本书分为几何光学、像差理论、典型光学系统和光学系统设计四部分，各部分均反映了光学与光电子学的进展和光学系统设计的新发展。其中，几何光学和像差理论详细讲述了光学系统设计基本理论；典型光学系统包括眼睛，显微和望远光学系统，摄影和投影光学系统，自由曲面及其在光学系统中的应用，以及特殊光学系统，包含了当前最新的光学系统，例如全息术补偿像差、3D 打印光学系统、3D 显示光学系统、太赫兹光学系统、折衍混合光学系统、共形自由曲面光学系统、复眼仿生光学系统和自适应光学系统等；光学设计部分包括光学系统初始结构求解、像质评价和像差平衡，并辅以光学设计实例。本书可作为高等学校光电类相关专业的教材或教学参考书，也可供从事光学设计和光学仪器设计工作的科技人员参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 应用光学/张以谟主编；张红霞，贾大功修订.4 版.北京：电子工业出版社，2015.4 光电信息科学与工程类专业规划教材 ISBN 978-7-121-25146-7.应 .张 张 贾 .应用光学高等学校教材 .O439 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2014）第 295504 号 责任编辑：韩同平 特约编辑：李佩乾 印 刷：杨 波 装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871092 1/16 印张：38.75 字数：1450 千字 版 次：1982 年 2 月第 1 版 版 次：2015 年 4 月第 4 版 印 次：2015 年 4 月第 1 次印刷 定 价：75.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。前 言 本书编写目的是培养光学仪器或光学工程有关专业人才，在光学仪器设计、光学系统设计和光学镜头设计方面的技术基础知识和能力，是一本技术基础教材和科技参考书。本书第 1 版于 1982 年出版；第 2 版于 1987 年出版。在随后中断的近 20 年中，本书的广大老读者，以及曾经学习本书受益的学生，因在市面上无法买到本书，感到十分惋惜，希望修订的呼声一直不断（不少高校，也一直是内部翻印作为学生教材的）；2006 年初，伴随着光学学科、光电产业的大发展，为适应高等学校光电类专业人才培养的要求，在电子工业出版社的热情鼓励和支持下，本书开始编写第 3 版，并于 2008 年出版，第 3 版一面市，本书的不少老读者感到十分亲切，并从不同侧面、角度给予了积极的、很好的评价。总之，在近 30 年的教学实践中形成、完善，并历经波折延续下来的这本书，对培养一批光学技术人才起到了应有的作用，这也是本书作者感到欣慰，并愿意继续修订下去的驱动力。本书在不断的修订和完善中，每次都有精简并增加当代新内容，形成了本书的特色：(1)适于教学和加强光学工程或光学仪器专业基础：时间上历经近 30 多年的教学考验，在空间上参考了全国各院校光学仪器专业成功的教学经验。(2)强调了在光学中的应用技术：使基础性光学原理用于光学系统设计，定位于阐述光学设备原理、光学系统总体设计和像差平衡，并能为镜头设计打下扎实基础。(3)符合教学认识论：本书仍分为四个部分，即几何光学、像差理论、典型光学系统和光学系统设计，每次修订，都适当地反映了当时的前沿光学技术。(4)本书在教学中注重实践性，保证实验、习题和课程设计等环节。(5)本书具有很好的声誉，几十年来同行们团结合作，作者队伍稳定，老中青结合，合作愉快，尽职尽责地保证了教材的整体性和“无缝结合”。第 4 版在保持第 3 版基本结构、基本内容的基础上，主要的修订内容有：(1)充分反映当前光学系统设计前沿，增加了全息术补偿像差、太赫兹光学系统、折衍混合光学系统、共形自由曲面光学系统、复眼仿生光学系统和自适应光学系统等的设计理论。(2)由于光电探测器的广泛使用，显微和望远光学系统已越来越重要，故将“目视光学系统”修改为“显微和望远系统”，并增加 3D 打印光学系统和 3D 显示光学系统。(3)在文字上尽量精练，并尽量剔除原来的一些文字错误。本书由天津大学张以谟教授主编。第 4 版由天津大学张红霞博士、贾大功博士修订。本教材可作为高等学校光学仪器专业以及其他光学专业的教材或教学参考书，也可供从事光学设计和光学仪器设计工作的科技人员参考。本书尽管经历三次修订，但其中不妥和错误之处仍在所难免，恳请广大教师和读者批评指正。您可以发送邮件至 ，我们会阅读所有的来信，并尽可能及时回复。张以谟 张红霞，贾大功 于天津大学 第 1 章 几何的概1.1 几何光1.2 几何光1.3 费马原1.4 马吕斯1.5 成像的习题 第 2 章 球面2.1 光线经2.2 单个折2.3 共轴球2.4 球面反习题 第 3 章 理想3.1 理想光3.2 理想光主点与3.3 理想光3.4 理想光3.5 理想光3.6 光学系3.6.1 两3.6.2 多3.7 透镜 3.8 实际光3.9 几种典3.9.1 望3.9.2 显3.9.3 照3.10 矩阵3.10.1 3.10.2 3.10.3 3.10.4 何光学的基本定概念 光学的基本概念 光学的基本定律 原理及其应用 斯定律 的概念 面和共轴球面系经过单个折射球面折射球面的成像倍球面系统 反射镜 想光学系统 光学系统和共线成光学系统的焦点与与主平面、焦距、光学系统的物像关光学系统的放大率光学系统的物像关系统的组合 两个光组的组合 多个光组的组合 光学系统焦点位置典型系统的理想光望远镜系统 显微镜系统 照相物镜系统 阵运算在几何光学中近轴光的矩阵表示物像矩阵 用高斯常数表示系位置和焦距 薄透镜系统的矩阵第一定律和成像 系统 面的折射 倍率、拉赫不变量成像 与焦平面、节点 关系 率 关系特性曲线 置和焦距的计算 光学系统性质 中的应用 示 系统的基点 阵运算 目 录一部分 几 何（2）（2）（4）（9）（11）（11）（13）（15）（15）（17）（19）（21）（22）（23）（23）（23）（26）（30）（33）（36）（36）（40）（42）（47）（49）（49）（50）（51）（52）（52）（54）（54）（56）第第录 何 光 学 习题 4 章 平面镜和4.1 平面镜成像4.2 双平面镜系4.3 反射棱镜 4.3.1 反射棱镜4.3.2 屋脊棱镜4.3.3 三面直角4.3.4 棱镜的组4.3.5 棱镜的展4.3.6 棱镜成像4.4 折射棱镜 4.4.1 折射棱镜4.4.2 折射棱镜4.4.3 色散棱镜4.5 光楔 4.6 光学材料 4.6.1 透明光学4.6.2 玻璃的选4.6.3 塑料光学4.6.4 反射光学习题 5 章 光学系统5.1 光阑在光学5.2 光学系统的和出射光瞳5.3 视场光阑 5.4 渐晕光阑 5.4.1 轴外点发5.4.2 消除渐晕5.4.3 渐晕系数5.5 光学系统的5.5.1 光学系统5.5.2 光学系统5.6 远心光路 5.7 消杂光光阑和平面系统 统 镜的类型 镜 角棱镜（立方角锥组合 展开及结构参数 K像方向辨别原则 镜的最小偏角镜的色散 镜的形式 学材料（透射材料选择 学材料 学材料 统中的光阑 系统中的作用 孔径光阑、入射光瞳 发出光束的渐晕 晕的条件 数 景深 统的空间像 统的景深 V （57（59（59（62（66（66（68锥棱镜）（69（70K （71（75（75（75（76（77（78（79料）（79（80（81（82（83（84（84光瞳 （85（88（89（89（91（91（92（92（93（96（987）9）9）2）6）6）8）9）0）5）5）5）6）7）8）9）9）0）2）4）4）5）8）9）9）2）2）6）8）VI 5.8 几种典习题 第 6 章 光6.1 光通量6.2 发光强6.3 光照度6.4 光亮度6.5 光通量传递、6.6 光学系6.7 光能计习题 第 7 章 颜色7.1 概述 7.2 颜色的7.3 色光混7.4 颜色的7.5 色度学7.6 CIE 标第 8 章 光线8.1 概述 8.2 子午面8.3 轴外点8.4 空间光8.4.1 通光8.4.2 二计8.4.3 细焦8.4.4 高（8.4.5 空和习题 第 9 章 光学9.1 轴上点9.1.1 球9.1.2 光9.1.3 单分典型系统的光束限能及其计算 量(Luminous Flux)强度 度和光出射度 度 量和光亮度在光学像面光照度 系统中光能损失的计算 色 的特征和分类 混合与格拉斯曼定的匹配 学基础 标准色度学系统 线的光路计算 面内的光线光路计点细光束的光路计光线的光路计算 通过球面的空间光光路计算（矢量公二次曲面的空间光计算（矢量计算公细光束子午焦点和焦点位置的计算 高次非球面空间光（矢量计算公式）空间光线初始数据和终结公式 学系统的像差 点球差 球差的定义及其计光学系统的球差分单个折射球面的球分布系数、不晕点限制)学系统中的 的计算 定律 第二计算 计算 光线的 公式）光线的光路 公式）和弧矢 光线计算 据的确定 计算 分布公式 球差 点 （99）（102）（103）（103）（105）（108）（109）（112）（116）（118）（122）（123）（123）（123）（124）（125）（125）（129）二部分 像 差（148）（148）（149）（154）（157）（157）（160）（163）（163）（166）（169）（170）（170）（170）（171）（173）第7.6.1 1931CIE7.6.2 1931CIE7.6.3 1931CIE7.6.4 光源色和7.6.5 表示颜色和颜色纯7.6.6 CIE1967.6.7 CIE 色度7.7 均匀颜色空7.7.1 (x,y;Y)颜色空7.7.2 均匀颜色7.8 光源 7.8.1 表示光源7.8.2 CIE 标准7.9 色光混合匹7.10 中国颜色体习题 差 理 论 9.1.4 单个折射物体位置9.2 彗差 9.2.1 彗差及其9.2.2 光学系统9.2.3 弧矢彗差9.3 像散和像面9.3.1 像散（像9.3.2 场曲（像9.3.3 宽光束9.4 畸变 9.5 正弦差9.6 位置色差 9.7 倍率色差 9.8 像差曲线的9.8.1 像差曲线9.8.2 绘制像差9.9 像差的级数9.10 像差分布公习题 10 章 初级单10.1 初级单色像ERGB 系统 EXYZ 系统 EXYZ 色品图 和物体色的三刺激色特征的两个量纯度 64 补充标准色度学度学系统表示颜色间及色差公式)颜色空间是非均匀间 色空间及对应的色源颜色特性的两个准照明体和标准光配计算 体系 射球面的球差正负置的关系 其计算 统结构形式对彗差差 弯曲 像散差）像面弯曲）的像散和场曲绘制及举例 线绘制 差曲线举例 展开 公式 色像差 像差的一般表示式（129（129（134激值 （134主波长 （136学系统 （137色的方法 （137（138匀的 （138色差公式 （139（140个参量 （140光源 （141（143（144（146负和 （174（176（176差的影响 （178（179（180（180（182（184（184（186（191（193（194（194（196（199（204（209（210式 （2109）9）4）4）6）7）7）8）8）9）0）0）4）6）4）6）6）8）9）0）0）2）4）4）6）4）4）6）9）4）9）0）0）10.1.1 10.1.2 10.1.3 10.2 五种10.3 具有10.4